Бројни случаи на примена на производи од индустриска, научна и медицинска радиофреквенција (ИСМ-РФ) покажуваат дека печатени коло распоредот на овие производи е склон кон разни дефекти.Луѓето често откриваат дека истиот ИЦ инсталиран на две различни плочки, индикаторите за изведба ќе бидат значително различни. Variations in operating conditions, harmonic radiation, anti-interference ability, and start-up time can explain the importance of circuit board layout in a successful design.

This article lists the various design omissions, discusses the causes of each failure, and provides suggestions on how to avoid these design defects. Во овој труд, fr-4 диелектрични, 0.0625in дебелина двослојна ПХБ како пример, заземјување на кола. Operating in different frequency bands between 315MHz and 915MHz, Tx and Rx power between -120dbm and +13dBm.

Насока на индуктивност

Кога два индуктори (или дури две PCB -линии) се блиску еден до друг, ќе се појави меѓусебна индуктивност. The magnetic field generated by the current in the first circuit excites the current in the second circuit (Figure 1). This process is similar to the interaction between the primary and secondary coils of a transformer. When two currents interact through a magnetic field, the voltage generated is determined by mutual inductance LM:

Каде, YB е напонот на грешка инјектиран во колото Б, IA е тековниот 1 што дејствува на колото А. LM е многу чувствителен на растојанието помеѓу колото, индуктивната област на јамката (т.е. магнетниот флукс) и насоката на јамката. Therefore, the best balance between compact circuit layout and reduced coupling is the correct alignment of all inductors in the direction.

FIG. 1. It can be seen from magnetic field lines that mutual inductance is related to inductance alignment direction

The direction of circuit B is adjusted so that its current loop is parallel to the magnetic field line of circuit A. За таа цел, колку што е можно нормално едни на други, ве молиме погледнете го распоредот на колото на таблата со мала моќност на FSK суперхетеродинска евалуација на приемник (EV) (MAX7042EVKIT) (слика 2). The three inductors on the board (L3, L1 and L2) are very close to each other, and their orientation at 0°, 45° and 90° helps to reduce mutual inductance.

Слика 2. Прикажани се два различни распоред на PCB, од кои едниот има елементи наредени во погрешна насока (L1 и L3), додека другиот е посоодветен.

Сумирајќи, треба да се следат следниве принципи:

Растојанието помеѓу индуктивноста треба да биде што е можно повеќе.

Индукторите се наредени под прав агол за да го минимизираат разговорот помеѓу индуктитерите.

Водете ја спојката

Исто како што ориентацијата на индукторите влијае врз магнетната спојка, така и спојката влијае ако проводниците се премногу блиску еден до друг. Овој вид на проблем со изгледот, исто така, произведува она што се нарекува меѓусебна сензација. Еден од најзагрижените проблеми на RF колото е жици на чувствителни делови од системот, како што се влезна мрежа што одговара, резонантен канал на приемникот, мрежа за појавување на антени на предавателот итн.

Патеката за повратна струја треба да биде што е можно поблиску до главната струја за да се минимизира магнетното поле на зрачење. This arrangement helps to reduce the current loop area. Идеалната патека со низок отпор за повратната струја е обично површината на земјата под оловото – ефективно ограничувајќи ја областа на јамката на регион каде што дебелината на диелектрикот се множи со должината на оловото. Меѓутоа, ако површината на земјата е поделена, површината на јамката се зголемува (Слика 3). For leads passing through the split region, the return current will be forced through the high resistance path, greatly increasing the current loop area. This arrangement also makes circuit leads more susceptible to mutual inductance.

Слика 3. Целосно заземјување на голема површина помага да се подобрат перформансите на системот

За вистински индуктор, насоката на олово, исто така, има значаен ефект врз спојувањето на магнетното поле. Ако каблите на чувствителното коло мора да бидат блиску еден до друг, најдобро е вертикално да ги усогласите каблите за да ја намалите спојката (слика 4). If vertical alignment is not possible, consider using a guard line. За дизајн на заштитна жица, погледнете го делот за третман на заземјување и полнење подолу.

Figure 4. Similar to Figure 1, shows the possible coupling of magnetic field lines.

To sum up, the following principles should be followed when the plate is distributed:

Complete grounding should be ensured below the lead.

Чувствителните кабли треба да бидат наредени вертикално.

If the leads must be arranged in parallel, ensure adequate spacing or use guard wires.

Grounding via

Главниот проблем со распоредот на RF колото е обично неоптималната карактеристична импеданса на колото, вклучувајќи ги компонентите на колото и нивните меѓусебни врски. Оловото со тенка бакарна обвивка е еквивалентно на жицата за индуктивност и формира распределена капацитивност со други кабли во близина. Оловото, исто така, покажува својства на индуктивност и капацитет додека минува низ дупката.

The through-hole capacitance mainly comes from the capacitance formed between the copper cladding on the side of the through-hole pad and the copper cladding on the ground, separated by a fairly small ring. Another influence comes from the cylinder of the metal perforation itself. Ефектот на паразитската капацитивност е генерално мал и обично предизвикува само варијација на рабовите во дигиталните сигнали со голема брзина (што не е дискутирано во овој труд).

Најголемиот ефект на пропусната дупка е паразитската индуктивност предизвикана од соодветниот режим за интерконекција. Because most metal perforations in RF PCB designs are the same size as lumped components, the effect of electrical perforations can be estimated using a simple formula (FIG. 5) :

Where, LVIA is lumped inductance through hole; H is the height of the throughhole, in inches; D е дијаметарот на пропусната дупка, во инчи 2.

Како да избегнете разни дефекти во распоредот на печатени плочи на ПХБ

FIG. 5. PCB cross section used to estimate parasitic effects on through-hole structures

The parasitic inductance often has a great influence on the connection of bypass capacitors. Идеалните бајпас кондензатори обезбедуваат кратки споеви со висока фреквенција помеѓу снабдувачката зона и формацијата, но неидеалните пропусни дупки може да влијаат на патеката со ниска чувствителност помеѓу формацијата и зоната на снабдување. A typical PCB through hole (d = 10 mil, h = 62.5 mil) is approximately equivalent to a 1.34nH inductor. Со оглед на специфичната работна фреквенција на производот ISM-RF, пропустите можат негативно да влијаат на чувствителните кола како што се кола со резонантни канали, филтри и соодветни мрежи.

Други проблеми настануваат доколку чувствителните кола делат дупки, како што се двете краци на мрежа од тип π. На пример, со поставување идеална дупка еквивалентна на грутка индуктивност, еквивалентната шема е сосема различна од оригиналниот дизајн на колото (Сл. 6). As with crosstalk of common current path 3, resulting in increased mutual inductance, increased crosstalk and feed-through.

How to avoid PCB design problems

Слика 6. Идеални наспроти неидеални архитектури, постојат потенцијални „сигнални патеки“ во колото.

To sum up, circuit layout should follow the following principles:

Ensure modeling of through-hole inductance in sensitive areas.

The filter or matching network uses independent through-holes.

Note that a thinner PCB copper-clad will reduce the effect of parasitic inductance through the hole.

Должината на оловото

Податоците за производот на Максим ISM-RF често препорачуваат користење на што е можно пократок влез и излез со висока фреквенција за да се минимизираат загубите и зрачењето. Од друга страна, таквите загуби обично се предизвикани од не-идеални паразитски параметри, така што и паразитската индуктивност и капацитет влијаат на распоредот на колото, а користењето на што е можно пократок кабел помага да се намалат паразитските параметри. Typically, a 10 mil wide PCB lead with a distance of 0.0625in… From a FR4 board produces an inductance of approximately 19nH/in and a distributed capacitance of approximately 1pF/in. За коло LAN/ миксер со 20nH индуктор и кондензатор 3pF, ефективната вредност на компонентата ќе биде многу засегната кога колото и распоредот на компонентата ќе бидат многу компактни.

Ipc-d-317a4 in ‘Institute for Printed Circuits’ provides an industry standard equation for estimating various impedance parameters of microstrip PCB. Овој документ беше заменет во 2003 година со IPC-2251 5, кој обезбедува попрецизен метод за пресметување за различни приклучоци за ПХБ. Online calculators are available from a variety of sources, most of which are based on equations provided by IPC-2251. The Electromagnetic Compatibility Lab at Missouri Institute of Technology provides a very practical method for calculating PCB lead impedance 6.

The accepted criteria for calculating the impedance of microstrip lines are:

Во формулата, εr е диелектрична константа на диелектрикот, h е висината на оловото од стратумот, W е ширината на оловото и T е дебелината на оловото (Слика 7). Кога w/h е помеѓу 0.1 и 2.0 и εr е помеѓу 1 и 15, резултатите од пресметката на оваа формула се доста точни.

Figure 7. This figure is a PCB cross section (similar to Figure 5) and represents the structure used to calculate the impedance of a microstrip line.

In order to evaluate the effect of lead length, it is more practical to determine the detuning effect of ideal circuit by lead parasitical parameters. Во овој пример, ние разговараме за заскитаната капацитивност и индуктивност. The standard equation of characteristic capacitance for microstrip lines is:

Слично на тоа, карактеристичната индуктивност може да се пресмета од равенката со користење на горенаведената равенка:

На пример, претпоставете дебелина на ПХБ од 0.0625 инчи. (h = 62.5 мил), 1 унца олово обложено со бакар (t = 1.35 мил), 0.01 инчи. (w = 10 мил), и плоча FR-4. Забележете дека ε R на FR-4 е обично 4.35 farad/m (F/m), но може да се движи од 4.0F/m до 4.7F/m. Сопствените вредности пресметани во овој пример се Z0 = 134 ω, C0 = 1.04pF/in, L0 = 18.7nH/in.

За AN ISM-RF дизајн, должина на распоред од 12.7 мм (0.5 инчи) на одборот на таблата може да произведе паразитски параметри од приближно 0.5 pF и 9.3nH (слика 8). Ефектот на паразитски параметри на ова ниво врз резонантниот канал на приемникот (варијација на производот LC) може да резултира со 315MHz ± 2% или 433.92mhz ± 3.5% варијација. Поради дополнителната капацитивност и индуктивност предизвикана од паразитскиот ефект на оловото, врвот на фреквенцијата на осцилација од 315MHz достигнува 312.17 mhz, а врвот на фреквенцијата на осцилација од 433.92 mhz достигнува 426.6 mhz.

Another example is the resonant channel of Maxim’s superheterodyne receiver (MAX7042). The recommended components are 1.2pF and 30nH at 315MHz; At 433.92MHz, it is 0pF and 16nH. Пресметајте ја фреквенцијата на осцилација на резонантното коло користејќи ја равенката:

Евалуацијата на резонантното коло на плочата треба да ги вклучува паразитските ефекти на пакувањето и изгледот, а паразитските параметри се соодветно 7.3PF и 7.5PF при пресметување на фреквенцијата на резонанца од 315MHz. Имајте на ум дека производот LC претставува испакната капацитет.

Сумирајќи, мора да се следат следниве принципи:

Чувајте го водството што е можно пократко.

Поставете ги клучните кола што е можно поблиску до уредот.

Клучните компоненти се компензираат според вистинскиот паразитизам на изгледот.

Третман за заземјување и полнење

The grounding or power layer defines a common reference voltage that supplies power to all parts of the system through a low resistance path. Изедначувањето на сите електрични полиња на овој начин произведува добар заштитен механизам.

Директната струја секогаш има тенденција да тече по патека со низок отпор. На ист начин, високофреквентна струја преференцијално тече низ патеката со најнизок отпор. So, for a standard PCB microstrip line above the formation, the return current tries to flow into the ground region directly below the lead. As described in the lead coupling section above, the cut ground area introduces various noises that increase crosstalk either through magnetic field coupling or by converging currents (Figure 9).

Како да избегнете разни дефекти во распоредот на печатени плочи на ПХБ

FIG. 9. Keep the formation intact as much as possible, otherwise the return current will cause crosstalk.

Filled ground, also known as guard lines, is commonly used in circuits where continuous grounding is difficult to lay or where shielding sensitive circuits is required (FIG. 10). The shielding effect can be increased by placing grounding holes (i.e. hole arrays) at both ends of the lead or along the lead. 8. Не мешајте ја заштитната жица со кабелот дизајниран да обезбеди патека за повратна струја. Овој аранжман може да воведе вкрстено разговарање.

Како да избегнете разни дефекти во распоредот на печатени плочи на ПХБ

СЛИКА 10. Дизајнот на RF системот треба да избегнува пловечки жици обложени со бакар, особено ако е потребна обвивка од бакар.

Областа обложена со бакар не е заземјена (лебдечка) или заземјена само на едниот крај, што ја ограничува неговата ефикасност. In some cases, it can cause unwanted effects by forming parasitic capacitance that changes the impedance of the surrounding wiring or creates a “latent” path between circuits. Накратко, ако на плочата е поставено парче бакарна обвивка (жици за сигнали без кола) за да се обезбеди конзистентна дебелина на обложување. Треба да се избегнуваат области обложени со бакар бидејќи влијаат на дизајнот на колото.

Конечно, не заборавајте да ги земете предвид ефектите од која било површина во близина на антената. Секоја монополна антена ќе има заземјен регион, жици и дупки како дел од системската рамнотежа, а не-идеалната рамнотежна жица ќе влијае на ефикасноста на зрачењето и насоката на антената (образец за зрачење). Therefore, the ground area should not be placed directly below the monopole PCB lead antenna.

Сумирајќи, треба да се следат следниве принципи:

Обезбедете континуирани и ниски отпорни заземјувачки зони колку што е можно.

Двата краја на линијата за полнење се заземјуваат и се користи низа низ дупки колку што е можно повеќе.

Не плови жица обложена со бакар во близина на RF кола, не поставувајте бакар околу RF колото.

Ако плочата содржи повеќе слоеви, најдобро е да поставите подлога низ дупката кога сигналниот кабел поминува од едната на другата страна.

Прекумерна кристална капацитивност

Паразитскиот капацитет ќе предизвика кристалната фреквенција да отстапува од целната вредност 9. Затоа, треба да се следат некои општи упатства за да се намали залутаниот капацитет на кристалните иглички, подлоги, жици или поврзувања со RF уреди.

Треба да се следат следниве принципи:

Врската помеѓу кристалниот и RF уредот треба да биде што е можно пократка.

Чувајте ги жиците едни од други колку што е можно.

Ако паразитскиот капацитет на шантот е премногу голем, отстранете го регионот на заземјување под кристалот.

Планарна индуктивност на жици

Planar wiring or PCB spiral inductors are not recommended. Typical PCB manufacturing processes have certain inaccuracies, such as width and space tolerances, which greatly affect the accuracy of component values. Затоа, повеќето контролирани и високи Q индуктори се тип на рана. Второ, можете да изберете повеќеслоен керамички индуктор, производителите на повеќеслојни чипови кондензатори, исто така, го обезбедуваат овој производ. Како и да е, некои дизајнери избираат спирални индуктори кога треба. The standard formula for calculating planar spiral inductance is usually Wheeler’s formula 10:

Каде, a е просечниот радиус на серпентина, во инчи; N е бројот на вртења; C е ширината на јадрото на серпентина (рутер-мијалник), во инчи. Кога серпентина c “0.2a 11, точноста на методот на пресметка е во рамките на 5%.

Може да се користат еднослојни спирални индуктори со квадратни, шестоаголни или други форми. Може да се најдат многу добри апроксимации за моделирање на рамна индуктивност на обланди на интегрирано коло. Со цел да се постигне оваа цел, стандардната Вилер формула е изменета за да се добие метод за проценка на индуктивност на рамнина, погоден за мали димензии и квадратна големина 12.

Каде, ρ е односот на полнење :; N е бројот на вртења, а dAVG е просечниот дијаметар:. За квадратни спирали, К1 = 2.36, К2 = 2.75.

Постојат многу причини да се избегне користење на овој тип индуктор, што обично резултира со намалени вредности на индуктивноста поради ограничувањата на просторот. The main reasons for avoiding planar inductors are limited geometry and poor control of critical dimensions, which makes it impossible to predict inductor values. Покрај тоа, вистинските вредности на индуктивноста е тешко да се контролираат за време на производството на ПХБ, и индуктивноста, исто така, има тенденција да ја спои бучавата со други делови од колото.